Utilizando la nanotecnología moderna, hoy en día es posible producir estructuras que tienen un tamaño de característica de solo unos pocos nanómetros. Este mundo de las partículas más diminutas, también conocido como sistemas cuánticos, hace posible una amplia gama de aplicaciones tecnológicas, encampos que incluyen detección de campo magnético, procesamiento de información, comunicación segura o cronometraje ultrapreciso. La producción de estas estructuras microscópicamente pequeñas ha progresado tanto que alcanzan dimensiones por debajo de la longitud de onda de la luz. De esta manera, es posible descomponerlímites existentes hasta ahora en óptica y utilizan las propiedades cuánticas de la luz. En otras palabras, la nanofotónica representa un enfoque novedoso de las tecnologías cuánticas.
A medida que los fotones individuales se mueven en el régimen cuántico, los científicos describen las fuentes de luz relevantes como emisores cuánticos que pueden incrustarse en nanodiamantes, entre otros. Estos diamantes especiales se caracterizan por su tamaño de partícula muy pequeño, que puede variar de unos pocos aVarios cientos de nanómetros. Investigadores de la Universidad de Münster han logrado por primera vez integrar completamente los nanodiamantes en circuitos nanofotónicos y, al mismo tiempo, abordar varios de estos nanodiamantes de manera óptica. En el proceso, la luz láser verde se dirige a los centros de color en elnanodiamantes, y los fotones rojos individuales generados allí se emiten a una red de componentes ópticos a nanoescala. Como resultado, los investigadores ahora pueden controlar estos sistemas cuánticos en un estado completamente integrado. Los resultados se han publicado en la revista Nano letras .
Antecedentes y metodología
Anteriormente, era necesario instalar microscopios voluminosos para controlar tales sistemas cuánticos. Con tecnologías de fabricación similares a las que se utilizan para producir chips para procesadores de computadora, la luz se puede dirigir de una manera comparable usando guías de ondas nanofibras en un chip de silicio. Estas guías de ondas ópticas, que miden menos de un micrómetro, se produjeron con la litografía por haz de electrones y el equipo de grabado de iones reactivos en la instalación de nanofabricación de Münster MNF ". Aquí, el tamaño de una configuración experimental típica se redujo a unos pocoscien micrómetros cuadrados ", explica el profesor asistente Carsten Schuck del Instituto de Física de la Universidad de Münster, que dirigió el estudio en colaboración con la profesora asistente Doris Reiter del Instituto de Teoría del Estado Sólido." Esta reducción no solo significa que podemos ahorrarespacio con miras a futuras aplicaciones que involucran sistemas cuánticos en grandes cantidades ", agrega," pero también nos permite, por primera vez, controlar variostales sistemas cuánticos simultáneamente ”. En un trabajo preliminar previo al estudio actual, los científicos de Münster desarrollaron interfaces adecuadas entre los circuitos nanodiamantes y nanofotónicos.Estas interfaces se utilizaron en los nuevos experimentos, implementando el acoplamiento de emisores cuánticos con guías de ondas de una manera especialmente eficaz.En sus experimentos, los físicos utilizaron el llamado efecto Purcell, que hace que el nanodiamante emita los fotones individuales con mayor probabilidad en la guía de ondas, en lugar de en alguna dirección aleatoria.
Los investigadores también lograron ejecutar dos sensores de campo magnético, basados en los nanodiamantes integrados, en paralelo en un chip. Anteriormente, esto solo había sido posible de forma individual o sucesiva. Para hacerlo posible, los investigadores expusieron los nanodiamantes integrados a microondas,induciendo así cambios del estado cuántico espín de los centros de color. La orientación del espín influye en el brillo de los nanodiamantes, que posteriormente se leyó utilizando el acceso óptico en el chip. La frecuencia del campo de microondas y con ello el observablelas variaciones de brillo dependen del campo magnético en la ubicación del nanodiamante. "La alta sensibilidad a un campo magnético local hace posible construir sensores con los que se pueden detectar bacterias e incluso átomos individuales", explica Philip Schrinner, autor principal delestudiar.
En primer lugar, los investigadores calcularon los diseños de la interfaz nanofotónica mediante elaboradas simulaciones en 3D, determinando así las geometrías óptimas. Luego, ensamblaron y fabricaron estos componentes en un circuito nanofotónico. Después de que los nanodiamantes se integraron y caracterizaron utilizando tecnología adaptada, el equipo de físicosllevó a cabo las mediciones de la mecánica cuántica mediante una configuración personalizada para el propósito.
"Trabajar con sistemas cuánticos basados en diamantes en circuitos nanofotónicos permite un nuevo tipo de accesibilidad, ya que ya no estamos restringidos por configuraciones de microscopio", dice Doris Reiter. "Usando el método que hemos presentado, será posible enel futuro para monitorear y leer simultáneamente un gran número de estos sistemas cuánticos en un chip ", agrega. El trabajo de los investigadores crea las condiciones para permitir que se lleven a cabo más estudios en el campo de la óptica cuántica, estudios en los que la nanofotónicase puede utilizar para cambiar las propiedades fotofísicas de los emisores de diamantes. Además de esto, hay nuevas posibilidades de aplicación en el campo de las tecnologías cuánticas, que se beneficiarán de las propiedades de los nanodiamantes integrados, en el campo de la detección cuántica o cuántica.procesamiento de información, por ejemplo.
Los próximos pasos incluirán la implementación de sensores cuánticos en el campo de la magnetometría, como se usa, por ejemplo, en el análisis de materiales para componentes semiconductores o exploraciones cerebrales. "Con este fin", dice Carsten Schuck, "queremos integrar un gran númerode sensores en un chip que luego se pueden leer todos simultáneamente y, por lo tanto, no solo registran el campo magnético en un lugar, sino que también visualizan gradientes de campo magnético en el espacio ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Münster . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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